Tutoriel de tarière: Instrumentation

Dans ce nouvel article concernant notre nouveau projet vrille Tutoriel de EAG Laboratories, nous présentons l’histoire d’Auger, ainsi que les principes scientifiques à la base de l’instrumentation et des données fournies par cette technique analytique.

Historique

En 1923, Pierre Auger découvre le procédé Auger et les électrons Auger en irradiant des échantillons avec des rayons X. L'idée d'utiliser des signaux Auger stimulés par des électrons pour l'analyse de surface a été suggérée pour la première fois en 1953 par JJ Lander. Cependant, ce n'est qu'en 1967 que Larry Harris a démontré l'utilisation de la différenciation pour améliorer les signaux Auger. Ce développement a fourni la sensibilité nécessaire pour des mesures utiles. Les premiers instruments de différenciation utilisaient des circuits analogiques et des amplificateurs verrouillables pour fournir directement des spectres différenciés, mais des instruments plus modernes acquièrent directement les intensités d'électrons et utilisent des algorithmes d'affichage d'ordinateur pour fournir des spectres différenciés. Aujourd'hui, la spectroscopie électronique Auger est la méthode d'analyse la plus fréquente pour les surfaces, les couches minces et les compositions d'interface. Cette utilité découle de la combinaison d'une spécificité de surface (0.5 à 10 nm), d'une bonne résolution de surface latérale (aussi peu que 10 nm), d'une couverture de tableau périodique (sauf l'hydrogène et l'hélium) et d'une sensibilité raisonnable (100 ppm pour la plupart des éléments).

Analyseurs d'énergie électronique

Les analyseurs d'énergie électronique mesurent le nombre d'électrons éjectés en fonction de l'énergie des électrons. Les analyseurs doivent être situés dans une chambre à vide poussé et isolés des champs magnétiques parasites (y compris ceux de la Terre) qui dévient les électrons. Dans le passé, les spectromètres Auger utilisaient plusieurs types d'analyseurs d'énergie électronique, notamment des analyseurs à secteur sphérique et à miroir cylindrique. Cependant, les instruments modernes intègrent presque toujours des analyseurs à miroir cylindrique car leur efficacité de transmission élevée permet d'obtenir de meilleurs rapports signal / bruit. Le schéma montre une coupe transversale d'un analyseur à miroir cylindrique en rouge. Le faisceau d'électrons primaire frappe la surface de l'échantillon au point source de l'analyseur. Les électrons Auger se déplacent vers l'extérieur dans toutes les directions et certains passent à travers l'ouverture recouverte d'une grille dans le cylindre intérieur. Un potentiel négatif variable sur le cylindre externe ramène les électrons Auger à travers une seconde ouverture du cylindre interne, puis à travers une ouverture de sortie sur l'axe de l'analyseur. L'énergie des électrons transmis est proportionnelle à la tension (-V) sur le cylindre extérieur.

Analyseurs d'électrons d'énergie
Sources d'électrons primaires

Trois types de sources d'électrons primaires sont couramment utilisés dans les spectromètres à électrons Auger.

  1. Une source de cathode en tungstène est constituée d’un filament coudé en épingle à cheveux. Le filament fonctionne à ~ 2700 K par chauffage résistif. Les cathodes de tungstène sont largement utilisées car elles sont à la fois fiables et peu coûteuses. La résolution latérale est limitée car les densités de courant de la cathode en tungstène ne sont que d'environ 1.75 A / cm2.
  2. Les cathodes d'hexaborure de lanthane (LaB6) fournissent des densités de courant plus élevées car LaB6 a une fonction de travail inférieure et une plus grande émissivité que le tungstène. A 2000 K, densités de courant de ~ 100 A / cm2 sont disponibles. Des densités de courant plus élevées fournissent des faisceaux d'électrons plus étroits utiles pour analyser des caractéristiques plus petites.
  3. Les sources d'électrons à émission de champ sont constituées de points de tungstène très nets auxquels les champs électriques peuvent être> 10E7 V / cm. Au niveau de ces champs, les électrons tunnel directement à travers la barrière et laissent l'émetteur avec des fonctions de travail presque nulles. Les canons à émission de champ fournissent les faisceaux les plus brillants (1E3 à 1E6 A / cm2). Cependant, les fonctions de travail réduites ne sont obtenues qu'avec des pointes extrêmement propres. Un seul atome sur la pointe peut augmenter le travail et réduire l'émission d'électrons. Le vide poussé et le chauffage continu (~ 2000 K) maintiennent la pointe propre et le faisceau d'électrons stable. Des faisceaux d'électrons aussi étroits que 10 nm permettent l'analyse Auger de petites entités.

 

Les instruments Auger ont des colonnes de faisceaux d'électrons primaires similaires aux microscopes électroniques. Les colonnes peuvent comprendre à la fois des lentilles électrostatiques et magnétiques pour la focalisation de faisceaux, ainsi que des déflecteurs quadripolaires pour la direction du faisceau et des lentilles octopolaires pour la mise en forme du faisceau.

Détecteurs

Les spectromètres d'électrons Auger utilisent des multiplicateurs d'électrons similaires à ceux utilisés dans le SIMS. Les multiplicateurs d'électrons Auger fonctionnent généralement en mode de comptage d'impulsions qui enregistre chaque électron à son arrivée au détecteur.

Instruments de tarière modernes

Un spectromètre à électrons Auger moderne intègre à la fois une source d'électrons à émission de champ et un détecteur d'électrons en parallèle. Le détecteur parallèle enregistre simultanément des électrons à huit énergies distinctes. Le détecteur consiste en une plaque à double microcanaux avec un trou au milieu pour recevoir le faisceau primaire. Huit anodes à anneaux concentriques détectent les électrons arrivant avec huit énergies distinctes.

Instrumentation AES
Algorithmes d'affichage des données de tarière

L’affichage des spectres de vis sans fin sous forme de différentiels améliore les pics de vis sans fin et minimise l’accent sur le fond relativement intense et sans structure. Des signaux interférents puissants accompagnent les électrons Auger dans toutes les régions du spectre Auger. L'interférence comprend les contributions des électrons secondaires et rétrodiffusés, ainsi que des électrons Auger qui ont perdu de l'énergie lorsqu'ils s'échappent sous la surface de l'échantillon. La première figure représente un spectre Auger (de fer) typique représenté par le signal électronique total, N (E), par rapport à l'énergie électronique. Les pics de la vis sans fin sont obscurs même après l’extension de l’échelle verticale.

Affichage des données de tarière

Le tracé du spectre en tant que différentiel du signal électronique, dN (E) / dE, clarifie certains détails spectraux.

Affichage des données de tarière

Les deux premiers graphiques sous soulignent l’extrémité haute énergie du spectre. Multiplier le signal électronique total par l'énergie électronique, E x N (E), accentue les hautes énergies, comme indiqué dans la figure suivante.

Affichage des données de tarière

Enfin, le traçage du différentiel d [E x N (E)] / dE de la fonction ci-dessus permet un affichage clair des caractéristiques dans un spectre électronique Auger. Ce format d [E x N (E)] / dE est le mode le plus courant de présentation des données Auger.

Affichage des données de tarière
Techniques connexes

Trois autres techniques analytiques utilisent certains des mêmes composants clés que les spectromètres à électrons Auger. La microscopie électronique à balayage et la microanalyse à sonde électronique utilisent toutes deux des faisceaux d'électrons focalisés pour exciter l'échantillon et la spectroscopie photoélectronique à rayons X utilise un spectomètre d'énergie électronique pour mesurer les énergies des électrons émis.

La microscopie électronique à balayage

Les instruments de microscopie électronique à balayage (SEM) et les spectromètres Auger utilisent des colonnes à électrons primaires similaires. En fait, les capacités SEM sont généralement intégrées aux instruments Auger. Des détecteurs séparés sont nécessaires pour les électrons secondaires et rétrodiffusés. Pour produire des images, ces signaux électroniques sont mesurés en fonction de la position du faisceau primaire, tandis que le faisceau est balayé selon un motif tramé sur l’échantillon.

Le détecteur d'électrons à scintillateur-photomultiplicateur (appelé détecteur Everhart-Thornley, d'après ses inventeurs) mesure les électrons secondaires. Des tensions plus élevées sur la cage de Faraday attirent plus d'électrons secondaires avec des trajectoires plus variées. Le placement du détecteur hors axe favorise les électrons secondaires avec des trajectoires menant au détecteur. Ceci fournit les informations topographiques caractéristiques des images électroniques secondaires.

Théorie de la tarière SEM

Les électrons rétrodiffusés sont généralement mesurés à l'aide d'un détecteur à l'état solide situé sur la pièce polaire du faisceau primaire. Le détecteur consiste en une diode avec un mince conducteur en or sur la surface avant. Les électrons rétrodiffusés (mais non secondaires) ont suffisamment d'énergie pour traverser la surface avant et produire des paires de trous d'électrons qui produisent un courant dans la diode.

Théorie de la tarière SEM

Les signaux électroniques secondaires et rétrodiffusés sont beaucoup plus intenses que les signaux Auger. Par conséquent, les mesures d'électrons Auger nécessitent des faisceaux primaires plus intenses pour fournir suffisamment de signaux d'électrons Auger. Les instruments à vis sans fin fournissent des intensités de faisceau primaire plus élevées et acceptent des diamètres de faisceau plus grands comme compromis. Cela maximise les signaux d'électrons Auger au détriment de la résolution latérale. Les signaux secondaires et rétrodiffusés étant plus intenses, une colonne principale dédiée uniquement au SEM peut être optimisée pour une résolution latérale. Néanmoins, les instruments Auger modernes fournissent des images SEM d'une résolution raisonnablement élevée (<10 nm). La plupart des instruments Auger autonomes sont équipés de détecteurs secondaires et de rétrodiffusion.

Pour une analyse approfondie de la microscopie électronique à balayage (et de la microanalyse par rayons X à sonde électronique), voir JI Goldstein, DE Newbury, P. Echlin, DC Joy, C. Fiori et E. Lifshin, Microscopie électronique à balayage et microanalyse par rayons X, Plenum Press, New York, 1981, et DE Newbury, DC Joy, P. Echlin, CE Fiori et JI Goldstein, Microscopie électronique à balayage avancé et microanalyse à rayons X, Plenum Press, New York, 1986.

Microanalyse par rayons X à sonde électronique

L’échantillon est bombardé avec un faisceau d’électrons dans le cadre d’une microanalyse par rayons X à sonde électronique. Les rayons X formés en concurrence avec le procédé Auger servent de signal mesurable. Deux types de détecteurs de rayons X sont largement utilisés. La spectrométrie à dispersion d'énergie (EDS) repose sur des détecteurs à semi-conducteurs, généralement du silicium à dérive de lithium. Le détecteur EDS convertit les rayons X en paires électron-trou par diffusion inélastique. Le principe de fonctionnement est similaire aux détecteurs de barrière de surface utilisés dans RBS. La spectrométrie dispersive en longueur d'onde (WDS) dépend de la diffraction de Bragg des rayons X incident sur un cristal. Toute longueur d'onde de rayons X peut être sélectionnée en ajustant l'angle du cristal et / ou en modifiant le cristal pour fournir un espacement différent du plan de diffraction. Les deux détecteurs sont complémentaires.

Le système EDS détecte simultanément toutes les énergies de rayons X et accepte un grand angle solide de l'émission de rayons X. Ainsi, l’EDS est plus rapide et meilleur pour les spectres d’enquête lorsque l’échantillon est totalement inconnu. Le système WDS offre une résolution d'énergie plus élevée, utile pour séparer les pics qui se chevauchent. De plus, bremsstrahlung contribue moins à l’arrière-plan des pics plus étroits. De plus, les détecteurs WDS acceptent une plage d’intensités de signal plus étendue. Le système WDS est utile pour cartographier les emplacements d'éléments spécifiques sur une surface d'échantillon et pour une quantification élémentaire jusqu'au niveau 100 en ppm.

Spectroscopie photoélectronique par rayons X

La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) mesure la distribution d'énergie des photoélectrons produits par l'irradiation des échantillons avec des rayons X. Les énergies des photoélectrons suivent la loi photoélectrique d'Einstein (énergie cinétique = énergie photonique - énergie de liaison). Le processus Auger contribue également aux pics des spectres XPS. La théorie et l'instrumentation de XPS sont décrites dans une autre section.

Pour activer certaines fonctionnalités et améliorer votre expérience avec nous, ce site stocke des cookies sur votre ordinateur. Veuillez cliquer sur Continuer pour donner votre autorisation et supprimer définitivement ce message.

Pour en savoir plus, consultez notre Politique de confidentialité.